科學家首次制備出基于“褶皺”的孤立微納結構

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連綿的山丘、干癟的果皮、開裂的油漆墻面以及布滿皺紋的肌膚……這些“褶皺”現象在日常生活中隨處可見。近年來，科學家致力于通過人為誘導的方式獲得可控制造的“褶皺”微觀結構，這已成為微納加工領域的研究熱點之一。

近日，國家納米科學中心研究員劉前和北京化工大學數理學院副教授王聰帶領的科研團隊提出一種利用電子束輔助激光誘導的新型應變加工技術，克服了褶皺本征波長對于應變結構可設計性的極大限制，首次制備出了孤立的可控可設計的褶皺亞微米應變結構。相關研究成果近日在《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）上刊發。

褶皺是一種力學失穩導致的表面應變結構。近年來，科學家利用激光誘導的起皺方法，有效解決了起皺微加工中遇到的無序性和缺陷問題，實現了褶皺周期地可調控和周期性結構的可設計加工，使褶皺作為一種新型的微納加工方法向前邁進了一大步。然而，由于褶皺應變的傳遞性和周期性，孤立的褶皺結構一直未能實現。在科學家看來，這主要是由于“本征波長”的存在，激光誘導的方法只能制備接近本征波長的周期性微納結構。

在最新發表的論文中，科研人員通過輔以電子束輻照的方式，在聚苯乙烯-硅（PS-Si）雙層膜體系上首次實現了不含任何次級結構和無序褶皺的任意孤立褶皺結構。該技術手段成功突破了雙層膜體系中褶皺本征波長的限制，展示了任意孤立的微/納米應變結構的可設計性和可控性。

論文顯示，科研人員通過新方法制造的凸起陣列結構能夠確保每個凸起結構的間距（5微米）大于褶皺的本征波長，保證了每個凸起結構的相對獨立性。多種表征的結果顯示，此類凸起基本單元的橫向尺寸在亞微米量級，縱向尺寸在百納米量級，可滿足實際應用中對于表面微/納米結構的要求。

凸起陣列的制造示意圖（研究團隊供圖）

電子束輻照是能夠實現任意設計孤立結構的可控制造的關鍵。論文提出了經由電子束輻照區域的聚苯乙烯（PS）玻璃化轉變溫度升高的機理解釋，并對電子束在不同加速電壓下的作用效果進行了定量研究，指明了電子束抑制無序褶皺結構的最優作用強度。

隨后，科研人員提出了一種全新的產生預應變結構的方法，即通過激光誘導下層PS分解氣化的方式使得上層硅（Si）膜產生一定量的膨脹，以此為后續預應變轉化為高度可控的凸起基本單位做鋪墊。該過程的內在機理同時被相關實驗和模擬充分佐證。以凸起結構為基本單元構建的多種基礎和復雜孤立結構也被制造，展示著該方法的高度可設計性。

科研人員相信，通過結合激光誘導預應變和電子束輻照兩種方法，這一新方法開創性地實現了任意應變結構，使以往無法加工的孤立應變微結構成為可能，使“激光路徑誘導”真正發展成為一種通用的微/納米制造技術。

國家納米科學中心博士生瞿鈺松、南開大學博士生陳勝垚、中國科學院上海微系統與信息技術研究所博士生何炬星為文章共同第一作者，國家納米科學中心研究員劉前和北京化工大學數理學院副教授王聰為共同通訊作者。該項目得到了國家自然科學基金、國家重點研究發展計劃、歐盟第七框架計劃、中科院戰略先導A項目、中央高校基本科研業務費等基金資助。